JP3774499B2

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Publication number: JP3774499B2
Application number: JP01033696A
Authority: JP
Inventors: 開小塚
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1996-01-24
Filing date: 1996-01-24
Publication date: 2006-05-17
Anticipated expiration: 2016-01-24
Also published as: TW359057B; KR970059850A; CN1097381C; JPH09205588A; US6538693B1; KR100206099B1; CN1162888A

Description

Translated fromJapanese

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光電変換装置に関し、例えばファクシミリ、デジタル複写機あるいはＸ線撮像装置等の読み取りを行う一次元及び二次元の光電変換装置に関し、特に光センサのリセット動作に起因するランダムノイズの除去に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ファクシミリ、デジタル複写機等の画像読取系や、ビデオカメラ、ディジタルカメラ等の撮像デバイスとして、主にＣＣＤが用いられてきたが、近年、ＭＯＳトランジスタやバイポーラトランジスタの増幅機能を画素単位で有する、いわゆる増幅型の光電変換装置の開発も盛んに行なわれている。
【０００３】
増幅型光電変換装置において、高感度化を実現する為には、ノイズの除去が重要となるが、このノイズ除去に関して、従来、いくつかの提案が為されている。
［従来例１］
図６は、バイポーラトランジスタを光センサとして各画素に有する１次元の光電変換装置の回路図、及びそのタイミングチャートである（テレビジョン学会誌 Vol.47,No.9(1993)pp.1180より) 。
【０００４】
この光電変換装置の動作を以下に説明する。スタートパルス（ＳＰ）が入力されると、蓄積容量Ｃ_TS，Ｃ_TNがリセットされ、続いてセンサノイズを含む光信号をＣ_TSに転送する。
【０００５】
その後、光センサのリセット動作を行ない、そのセンサノイズを含む暗時の出力をＣ_TNに転送する。再びセンサをリセットして蓄積動作に入る。それと同時に１チップ目のシフトレジスタが走査を開始し、Ｃ_TS，Ｃ_TNのデータをそれぞれ１チップ目の共通出力線であるＣ_HS，Ｃ_HNに容量分割にて出力する。出力された信号は、それぞれボルテージフォロワを介して差動アンプに入力され、ＩＣの出力としてセンサノイズのない信号が得られる。
【０００６】
なお、ここでいうセンサリセットノイズとは、各画素の光センサとなるバイポーラトランジスタのｈ_FEや、ベース／コレクタ間容量Ｃ_bcのバラツキに起因するＦＰＮ（Fixed Pattern noise)を指す。すなわち、ｈ_FEやＣ_bcのバラツキにより、φＥＲＳによるエミッタリセット後のエミッタ電位が、画素ごとにばらつく為、それが通常の読み出しにおいては、オフセットとして現われるが、この方式により、そのオフセットが除去できるため、ＦＰＮが低減できる。
【０００７】
［従来例２］
また、他の従来例として、特開平１−１５４６７８号公報には、図７及び図８に示すような固体撮像装置が提案されている。
【０００８】
同図において、入射光によって生じ、各ホトダイオード１０１に蓄積された信号電荷の出力は、次の手順で行われる。装置の出力の水平帰線期間の始めに、次ぎに読み出すべき水平方向一列のホトダイオード１０１が選択されると、その一列に対応したリセット線１０６がオン、オフし、リセットスイッチ１０３によるリセットを行った後、次いでドレイン線１０７がオンすると、この一列の各画素アンプ１０４はソースフォロアのドライバトランジスタとして動作する。このときの各ソースフォロアの出力は、信号電荷の無い場合のアンプ出力であり、ゲート線１１６がオン、オフすることによって、この出力電圧はゲートスイッチ１０９を介して蓄積容量１１１へと記憶される。
【０００９】
次いで、この水平方向一列に対応した垂直ゲート線１０５がオン、オフし、信号電荷が各画素アンプ１０４のゲートに加わると、各ソースフォロアの出力は、信号電荷の量に対応した値をとる。ここでゲート線１１７をオン、オフすることによってこの出力電圧はここでゲートスイッチ１１０を介して蓄積容量１１２へと記憶される。
【００１０】
水平帰線期間内の動作は以上であり、水平走査出力期間内には、水平レジスタ１２２が各画素に対応する水平ゲートスイッチ１１３、１１４を順次開閉走査することにより、蓄積容量１１１、１１２に蓄えられていたソースフォロア出力電荷は水平信号線１２０より順次出力される。
【００１１】
蓄積容量１１１、１１２に蓄えられていた出力電荷は、１個の画素アンプ１０４についての、リセット時と信号電荷入力時の両者の場合の出力を時間的に連続して得たものであり、さらにこれら両出力の差分をとることにより、複数のソースフォロアの入力オフセットばらつきに起因する雑音、及びソースフォロアの１／ｆ雑音を容易に抑圧することができる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述した従来例では、光電変換手段のリセット時に生ずるリセットノイズを除去することができないという解決すべき課題があった。
【００１３】
このリセットノイズとは、光センサをリセットする度にリセットされた電位がゆらぐもので、ランダムノイズとして現われる。
【００１４】
例えば、ｐｎ接合を有するホトダイオードにおいて、光生成キャリアＱ_Pをホトダイオード部の容量Ｃ_PDに蓄積し、電圧に変換する場合、光生成キャリアによる光信号電圧Ｖ_Pは、
Ｖ_P ＝Ｑ_P ／Ｃ_PD ・・・・・（１）
となる。一方リセットノイズＶ_Nは、
Ｖ_N ＝√（ｋＴ／Ｃ_PD）・・・・・（２）
（ｋ：ボルツマン定数、Ｔ：温度（ｋ））
となる為、Ｓ／Ｎ比は、
Ｖ_P ／Ｖ_N ＝Ｑ_P・√（１／（ｋＴＣ_PD））・・・・・（３）となる。
【００１５】
従って、（３）式より、Ｓ／Ｎ比を上げる為には、光センサの蓄積容量Ｃ_PDをできるだけ小さくすることが望ましいが、現実的には限界がある。一方、光電変換装置の高精細化、高速化に伴い、信号電荷Ｑ_P は、減少する方向になる為、このリセットノイズを除去することは、光電変換装置の高Ｓ／Ｎ化の重要なポイントとなる。
【００１６】
しかしながら、従来例１において、図６のタイミングチャートに示されるように、センサリセットを２回行なっており、読み出される光信号とノイズ信号は、異なるセンサリセットによるものとなっている。即ち、２回目のセンサリセット後に蓄積動作と光信号読み出し動作を行ない、この２回目のセンサリセット時に発生したセンサノイズＮ’を含む読み出し信号Ｓ＋Ｎ’から、１回目のセンサリセットで発生したセンサノイズＮを差し引くことで、センサノイズを除去しようとするため、センサリセットノイズの√２倍のランダムノイズが発生することになる。
【００１７】
また、従来例２においても、リセットスイッチ１０３によるリセット時にはゲートスイッチ１０９は閉じている状態で行なうため、ホトダイオード１０１のリセットと、リセットスイッチ１０３によるリセットは、異なるリセット動作になるため、従来例１と同様にリセットに起因するランダムノイズは、完全に除去できない。
【００１８】
また従来例２において、ゲートスイッチ１０９を設けない例も開示されているが、この場合も同様にセンサリセットに起因するランダムノイズが発生してしまうという問題があるということが開示されている。
【００１９】
すなわち、従来技術において、ＦＰＮの改善は可能となったが、いぜんとして光センサのリセット動作に起因するランダムノイズに対しては、改善されていない。
【００２０】
［発明の目的］
本発明の目的は、光信号蓄積と信号出力を同時に行なう１次元又は２次元の光電変換装置において、センサ部のリセット動作に起因するランダムノイズを低減することにある。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明の光電変換装置は、各々が、光電変換領域と、前記光電変換領域によって得られた信号に基づく増幅信号を生成する増幅用トランジスタとを有し、前記光電変換領域と前記増幅用トランジスタの入力部とが電気的に接続された第１、第２の光電変換手段と、前記第１の光電変換領域及び前記第１の増幅用トランジスタの入力部、そして、前記第２の光電変換領域及び前記第２の増幅用トランジスタの入力部、をそれぞれリセットする第１、第２のリセット手段と、前記第１のリセット手段により前記第１の光電変換手段をリセットすることにより前記第１の増幅用トランジスタの出力に生じる第１のノイズ信号を一時保持する第１の信号保持手段と、前記第２のリセット手段により前記第２の光電変換手段をリセットすることにより前記第２の増幅用トランジスタの出力に生じる第２のノイズ信号を一時保持する第２の信号保持手段と、光信号蓄積後に前記第１の光電変換手段から前記第１のノイズ信号を含む第１の光信号を前記第１の信号保持手段に読み出す前に、前記第１の信号保持手段に一時保持されている前記第１のノイズ信号を前記第１の信号保持手段から読み出し保持する第１のノイズ信号蓄積用容量と、光信号蓄積後に前記第２の光電変換手段から前記第２のノイズ信号を含む第２の光信号を前記第２の信号保持手段に読み出す前に、前記第２の信号保持手段に一時保持されている前記第２のノイズ信号を前記第２の信号保持手段から読み出し保持する第２のノイズ信号蓄積用容量と、光信号蓄積後に前記第１の光電変換手段から前記第１の信号保持手段に読み出し保持された前記第１の光信号を前記第１の信号保持手段から読み出し保持する第１の光信号蓄積用容量と、光信号蓄積後に前記第２の光電変換手段から前記第２の信号保持手段に読み出し保持された前記第２の光信号を前記第２の信号保持手段から読み出し保持する第２の光信号蓄積用容量と、前記第１及び第２のノイズ信号蓄積用容量にそれぞれ保持された前記第１及び第２のノイズ信号が共通のノイズ信号出力線を介して出力され、前記第１及び第２の光信号蓄積用容量にそれぞれ保持された前記第１及び第２の光信号が共通の光信号出力線を介して出力され、且つ、前記第１のノイズ信号蓄積用容量、及び第１の光信号蓄積用容量に保持されている信号が前記ノイズ信号出力線、及び前記光信号出力線にそれぞれ出力された後に、前記第２のノイズ信号蓄積用容量、及び第２の光信号蓄積用容量に保持されている信号が前記ノイズ信号出力線、及び前記光信号出力線にそれぞれ出力される共通出力部と、前記共通出力部から出力された前記第１のノイズ信号、及び前記第２のノイズ信号を用いて、前記共通出力部から出力された前記第１の光信号、及び前記第２の光信号に含まれるノイズ成分をそれぞれ除去するノイズ除去手段とを有し、前記第１、第２の光電変換手段から前記第１、第２の光信号を、それぞれ前記第１、第２の信号保持手段を介して前記第１、第２の光信号蓄積用容量にそれぞれ読み出した後、前記第１の光電変換手段を前記第１のリセット手段により再度リセットすることにより前記第１の増幅用トランジスタの出力に生じる第３のノイズ信号を前記第１の信号保持手段に保持し、前記第２の光電変換手段を前記第２のリセット手段により再度リセットすることにより前記第２の増幅用トランジスタの出力に生じる第４のノイズ信号を前記第２の信号保持手段に保持することを特徴とする。
【００２３】
［作用］
本発明によれば、ノイズの保持手段を設けることにより、センサリセット時に発生したノイズを保持した後、そのまま、光信号の蓄積動作と読み出し動作を行ない、同一のセンサリセットにおけるノイズと光信号の差分をとることができるため、センサリセット時に生ずるランダムノイズの完全な除去が可能となる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２５】
［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る光電変換装置の回路図及びそのタイミングチャートである。
【００２６】
本実施形態の光電変換装置は、図に示すように、光電変換手段となるホトダイオード１と、ＭＯＳトランジスタ３，３’と、該光電変換手段のリセット手段となるＭＯＳスイッチ２と、
上記光電変換手段のリセット時のノイズ信号を保持するノイズ信号保持手段となるＭＯＳトランジスタ４，６，６’と容量（Ｃ_M ）５と、
同一の上記リセット後に上記光電変換手段が蓄積した信号から上記保持しておいたノイズ信号を用いてノイズを除去するノイズ信号除去手段（７〜１６）と、を有することを特徴とする光電変換装置である。
【００２７】
また、上記リセット直後のノイズ信号電荷を読み出すノイズ信号読み出し手段としてのＭＯＳスイッチ７，容量（Ｃ_TN）９と、
光信号蓄積後の光信号電荷を読み出す光信号読み出し手段としてのＭＯＳスイッチ８，容量（Ｃ_TS）１０と、
上記ノイズ信号読み出し手段のノイズ信号と上記光信号読み出し手段の光信号を順次走査する走査手段となるシフトレジスタ１３と、
上記走査手段により、上記ノイズ信号読み出し手段（７，９）、及び光信号読み出し手段（８，１０）から、信号を読み出すと同時に、上記光電変換手段で光信号蓄積を行なう光電変換装置において、
上記リセット直後のノイズ信号を、前記同一のリセット後蓄積された上記光信号を上記光信号読み出し手段（８，１０）に読み出す前まで保持するノイズ信号保持手段（４，５，６，６’）と、
上記保持しておいたリセット直後のノイズ信号と、上記同一のリセット後の上記光信号との差分を出力する手段となるバッファアンプ１４，１４’，及び差動アンプ１５と、
を有することを特徴とする光電変換装置である。
【００２８】
ここで、ＭＯＳトランジスタ６，６’、及び３，３’は、各々ＭＯＳソースフォロアを形成している。
【００２９】
また、バッファアンプ１４，１４’の入力１６，１６’が共通出力線であり、バッファアンプ１４，１４’及び差動アンプ１５以外は、ビット分有することになる。
【００３０】
また、本実施形態においては、図に示す部分を全て、同一半導体基板上に形成している。
【００３１】
以下、タイミングチャートを参照しながら、本実施形態の動作及び構成を説明する。
【００３２】
まず、スタートパルスＳＰが入力されると、最初に、光信号、及びノイズ信号蓄積用の容量Ｃ_TS１０及びＣ_TN９がリセットされる。
【００３３】
続いて、駆動パルスφＴＮをＯＮし、容量Ｃ_M ５に保持されていたノイズ信号を容量Ｃ_TN９に読み出す。この時、容量Ｃ_M ５から読み出されるノイズ信号は、前のフィールドにおいて、センサがリセットされた直後のノイズ信号である。容量Ｃ_TN９にノイズ信号が読み出された後、駆動パルスφＴ１をＯＮし、光信号を容量Ｃ_M ５に読み出し、更に駆動パルスφＴＳをＯＮして容量Ｃ_TS１０に光信号を読み出す。
【００３４】
その後、駆動パルスφＲをＯＮしてセンサリセットを行ない、続いて駆動パルスφＴ１をＯＮし、センサリセット直後の信号を、ノイズ信号として容量Ｃ_M ５に読み出し、センサは、蓄積を開始する。
【００３５】
そして、センサが蓄積を行なうのと同時に、容量Ｃ_TS１０、容量Ｃ_TN９に保持された光信号、及びノイズ信号は、順次、共通出力線に出力され、最終的には、光信号とノイズ信号が、不図示の差分回路等により差分され、正味の光信号として出力されることになる。
【００３６】
従って、本発明においては、タイミングチャート中に示す▲１▼のセンサリセットに対するノイズ信号は、蓄積期間中、容量Ｃ_M ５に保持され（Ａ）、光信号を読み出す前に容量Ｃ_TN９に入力される（Ａ’）。従って、▲１▼の同一のセンサリセットに対するノイズ信号（Ａ’）と、光信号（Ｂ’）の差分を正味の光信号として出力することができるため、センサリセットノイズを完全に除去することが可能となる。
【００３７】
また、ノイズ除去手段としては、上述した実施形態に限定されることはなく、例えば、クランプ回路等を用いることも可能である。
【００３８】
また、特願６１−２１９６６６号に開示されているように、差分回路としては、センサ信号を保持する回路と基準信号を保持する回路と、それらの差信号を出力する差動アンプを用いることもできる。
［第２の実施形態］
図２は、本発明の第２の実施形態を示す回路図及びタイミングチャートである。
【００３９】
本実施形態では、バイポーラトランジスタ１’による光電変換手段を用いた点が、第１の実施形態とは異なる。本実施形態でも、点線で囲った部分がノイズ信号保持手段となり、その構成は第１の実施形態と同じである。
【００４０】
以下、タイミングチャートに沿って、動作を説明する。
【００４１】
不図示のスタートパルスが入力されると、まず、駆動パルスφＣＲがＯＮし、光信号蓄積用容量Ｃ_TS１０及びノイズ信号蓄積用容量Ｃ_TN９がリセットされる。
【００４２】
次に、駆動パルスφＴＮをＯＮしてノイズ信号を容量Ｃ_TN９に読み出す。
【００４３】
次に、駆動パルスφＴ１をＯＮして光信号を容量Ｃ_M ５に読み出す。
【００４４】
次に、駆動パルスφＴＳをＯＮして光信号を容量Ｃ_TS１０に読み出す。
【００４５】
次に、駆動パルスφＢＲＳをＯＮして、バイポーラトランジスタ１’のベースをＶ_BBにクランプリセットし、更に、駆動パルスφＥＲＳをＯＮすることで、センサリセットを行なう。
【００４６】
次に、駆動パルスφＴ１をＯＮして、センサリセット時に発生したノイズ信号を容量Ｃ_M ５に入力する。その後、センサの蓄積動作を行なう。
【００４７】
そして、センサが蓄積を行なうのと同時に、容量Ｃ_TS１０、容量Ｃ_TN９に保持された光信号、及びノイズ信号は、順次、共通出力線に出力され、最終的には、光信号とノイズ信号が、差分回路１５により差分され、正味の光信号として出力されることになる。
【００４８】
従って、本発明においても、センサリセットに対するノイズ信号は、蓄積期間中、容量Ｃ_M ５に保持され、光信号を読み出す前に容量Ｃ_TN９に入力される。従って、同一のセンサリセットに対するノイズ信号と、光信号の差分を正味の光信号として出力することができるため、センサリセットノイズを完全に除去することが可能となる。
【００４９】
なお、ノイズ保持用の容量Ｃ_M ５は、無くても良く、その場合は、配線や素子の寄生容量を容量Ｃ_M ５の代わりとして利用することができる。
【００５０】
また、本実施形態においては、差動アンプ１５以外を、同一半導体基板に形成している。
［第３の実施形態］
図３は、本発明の第３の実施形態に係る光電変換装置の回路図及びそのタイミングチャートである。
【００５１】
図において、１はホトダイオードであり、点線で囲った部分は、本発明の特徴となるノイズ信号保持手段であり、ノイズ信号を保持するための容量Ｃ_M ５と、ＭＯＳトランジスタ・スイッチ４、１６、１７と、ＭＯＳトランジスタのソースフォロア回路６，６’とから構成されている。また、光信号蓄積用容量Ｃ_TS１０及びノイズ信号蓄積用容量Ｃ_TN９を有している。
【００５２】
以下、タイミングチャートを参照しながら、本実施形態の動作及び構成を説明する。
【００５３】
まず、不図示のスタートパルスＳＰが入力されると、最初に、駆動パルスφＣＲがＯＮされて光信号蓄積用の容量Ｃ_TS１０、及びノイズ信号蓄積用の容量Ｃ_TN９がリセットされる。
【００５４】
続いて、駆動パルスφＴ２をＯＮし、このＯＮ期間中に駆動パルスφＴＮをＯＮし、ノイズ信号を容量Ｃ_TN９に入力する。
【００５５】
次に、駆動パルスφＲ２をＯＮして、ソースフォロア６，６’をリセットする。
【００５６】
次に、駆動パルスφＴ１をＯＮして、光信号を容量Ｃ_M ５に入力する。
【００５７】
続いて、駆動パルスφＴ２をＯＮし、このＯＮ期間中に駆動パルスφＴＳをＯＮし、光信号を容量Ｃ_TS１０に入力する。
【００５８】
その後、駆動パルスφＲ１及び駆動パルスφＲ２をＯＮしてセンサリセット及びソースフォロアリセットを行ない、続いて駆動パルスφＴ１をＯＮし、センサリセット直後の信号を、ノイズ信号として容量Ｃ_M ５に読み出し、センサは、蓄積動作を開始する。
【００５９】
そして、センサが蓄積を行なうのと同時に、容量Ｃ_TS１０、容量Ｃ_TN９に保持された光信号、及びノイズ信号は、順次、共通出力線に出力され、最終的には、光信号とノイズ信号が、不図示の差分回路により差分され、正味の光信号として出力されることになる。
【００６０】
従って、本発明においても、センサリセットに対するノイズ信号は、蓄積期間中、容量Ｃ_M ５に保持され、光信号を読み出す前に容量Ｃ_TN９に入力される。従って、同一のセンサリセットに対するノイズ信号と、光信号の差分を正味の光信号として出力することができるため、センサリセットノイズを完全に除去することが可能となる。
［第４の実施形態］
図４は、本発明の第４の実施形態を示す回路図であり、図５は、そのタイミングチャートである。本実施形態では、前述した本発明の光電変換素子の複数個を２次元状に配列して、水平シフトレジスタＨ．Ｓ．Ｒ．及び垂直シフトレジスタＶ．Ｓ．Ｒ．を接続した画像読取装置を示すものである。
【００６１】
図に示すように、各画素は、光電変換手段としてのホトダイオードと、ノイズ信号保持手段として、ＭＯＳトランジスタスイッチ４３とソースフォロアとされたＭＯＳトランジスタ４４とを持ち、ＭＯＳトランジスタ４４のゲート容量を前述したノイズ保持用容量として用いている。
【００６２】
また、複数個の画素に対して１個ずつの前述した光信号蓄積用容量Ｃ_TS及びノイズ信号蓄積用容量Ｃ_TNが接続されている。
【００６３】
以下、タイミングチャートを参照しながら、本実施形態の動作及び構成を説明する。
【００６４】
まず、不図示のスタートパルスＳＰが入力されると、最初に、光信号、及びノイズ信号蓄積用の容量Ｃ_TS及び容量Ｃ_TNがリセットされる。
【００６５】
続いて、駆動パルスφＴＮをＯＮし、ノイズ信号をＭＯＳトランジスタ４４のゲート容量から容量Ｃ_TNに読み出し、更に駆動パルスφＴＳをＯＮして容量Ｃ_TSに光信号を読み出す。
【００６６】
その後、駆動パルスφＲをＯＮしてセンサリセットを行ない、続いて駆動パルスφＴ１をＯＮし、センサリセット直後の信号を、ＭＯＳトランジスタ４２のソースフォロアを介してＭＯＳトランジスタ４４のゲート容量に読み出し、センサは、蓄積を開始する。
【００６７】
そして、センサが蓄積を行なうのと同時に、容量Ｃ_TS、容量Ｃ_TNに保持された光信号、及びノイズ信号は、順次、共通出力線に出力され、最終的には、光信号とノイズ信号が、不図示の差分回路により差分され、正味の光信号として出力されることになる。
【００６８】
従って、本発明においては、センサリセットに対するノイズ信号は、蓄積期間中、ＭＯＳトランジスタ４４のゲート容量に保持され、光信号を読み出す前に容量Ｃ_TNに入力される。従って、同一のセンサリセットに対するノイズ信号と、光信号の差分を正味の光信号として出力することができるため、センサリセットノイズを完全に除去することが可能となる。
【００６９】
また、本実施例のようなエリアセンサ等においては、開口率を向上させる為に、ホトダイオード４０として、例えば、アモルファスシリコンのような光導電膜を半導体基板上に積層して用いても良い。
【００７０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ノイズの保持手段を持ったことにより、１回目のセンサリセット時に発生したノイズを保持した後、そのまま、光信号の蓄積動作と読み出し動作を行ない、１回目のリセットにおけるノイズと光信号の差分をとることができるため、センサリセットノイズの完全な除去ができる。
【００７１】
すなわち、本発明においては、センサリセットに対するノイズ信号は、蓄積期間中、ノイズ信号保持手段に保持され、光信号を読み出す前に容量Ｃ_TNに入力される。従って、センサリセットに対するノイズ信号と、光信号の差分を正味の光信号として出力することができるため、センサリセットノイズを完全に除去することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の回路図及びその動作を示すタイミングチャートである。
【図２】本発明の第２の実施形態の回路図及びその動作を示すタイミングチャートである。
【図３】本発明の第３の実施形態の回路図及びその動作を示すタイミングチャートである。
【図４】本発明の第４実施形態の回路図である。
【図５】本発明の第４実施形態の回路の動作を示すタイミングチャートである。
【図６】従来例１の回路図及びその動作を示すタイミングチャートである。
【図７】従来例２の回路図である。
【図８】従来例２の回路図である。
【符号の説明】
１光センサ（ホトダイオード）
１’ 光センサ（バイポーラトランジスタ）
２，３，３’，４，６，６’，７，８，１１，１２ＭＯＳトランジスタ
５ノイズ信号保持用容量Ｃ_M
９ノイズ信号蓄積用容量Ｃ_TN
１０光信号蓄積用容量Ｃ_TS
１３シフトレジスタ
１４，１４’ バッファアンプ
１５差動アンプ
１６，１６’ 共通出力線
４０ホトダイオード
４２，４３，４４，４５，４６ＭＯＳトランジスタ
１０１ホトダイオード
１０３リセットスイッチ
１０４画素アンプ
１０５垂直ゲート線
１０６リセット線
１０７ドレイン線
１０９，１１０ゲートスイッチ
１１１，１１２蓄積容量
１１３，１１４水平ゲートスイッチ
１１６ゲート線
１１７ゲート線
１２０水平信号線
１２２水平レジスタ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a photoelectric conversion device, for example, a one-dimensional or two-dimensional photoelectric conversion device that performs reading of a facsimile, a digital copying machine, an X-ray imaging device, or the like, and more particularly, to removal of random noise caused by a reset operation of an optical sensor Is.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, CCDs have been mainly used as image reading systems such as facsimiles and digital copying machines, and imaging devices such as video cameras and digital cameras, but in recent years, they have an amplification function for MOS transistors and bipolar transistors in units of pixels. So-called amplification type photoelectric conversion devices are also being actively developed.
[0003]
In order to achieve high sensitivity in an amplification type photoelectric conversion device, it is important to remove noise, but several proposals have been made regarding this noise removal.
[Conventional example 1]
FIG. 6 is a circuit diagram of a one-dimensional photoelectric conversion device having a bipolar transistor as an optical sensor in each pixel, and a timing chart thereof (from Television Society Journal Vol. 47, No. 9 (1993) pp. 1180). .
[0004]
The operation of this photoelectric conversion device will be described below. When the start pulse (SP) is input, the storage capacitors C_TS and C_TN are reset, and subsequently an optical signal including sensor noise is transferred to C_TS .
[0005]
Thereafter, the optical sensor is reset, and the dark output including the sensor noise is transferred to_CTN . The sensor is reset again and the accumulation operation starts. At the same time, the shift register of the first chip starts scanning, and the data of C_TS and C_TN are respectively output to the common output lines C_HS and C_HN of the first chip by capacity division. The output signals are each input to a differential amplifier via a voltage follower, and a signal without sensor noise is obtained as an output of the IC.
[0006]
Here, a sensor reset noise referred, h_FE and bipolar transistors comprising the optical sensor of each pixel refers to the FPN due to the variation in the base / collector capacitance C_bc (Fixed Pattern noise). That is, the emitter potential after emitter reset by φERS varies from pixel to pixel due to variations in h_FE and C_bc , and this appears as an offset in normal readout, but this offset can be removed by this method. , FPN can be reduced.
[0007]
[Conventional example 2]
As another conventional example, Japanese Patent Laid-Open No. 1-154678 proposes a solid-state imaging device as shown in FIGS.
[0008]
In the figure, output of signal charges generated by incident light and accumulated in eachphotodiode 101 is performed in the following procedure. When the horizontal line ofphotodiodes 101 to be read out next is selected at the beginning of the horizontal blanking period of the output of the device, thereset line 106 corresponding to that line is turned on and off, and reset by thereset switch 103 is performed. Thereafter, when thedrain line 107 is turned on, thepixel amplifiers 104 in the column operate as driver transistors of the source follower. The output of each source follower at this time is an amplifier output when there is no signal charge. When thegate line 116 is turned on / off, this output voltage is stored in the storage capacitor 111 via thegate switch 109. .
[0009]
Next, when thevertical gate lines 105 corresponding to the horizontal row are turned on and off, and signal charges are applied to the gates of thepixel amplifiers 104, the outputs of the source followers take values corresponding to the amount of signal charges. Here, the output voltage is stored in thestorage capacitor 112 via thegate switch 110 by turning on and off thegate line 117.
[0010]
The operation in the horizontal blanking period is as described above, and in the horizontal scanning output period, thehorizontal register 122 sequentially opens and closes thehorizontal gate switches 113 and 114 corresponding to the respective pixels, thereby storing in thestorage capacitors 111 and 112. The generated source follower output charges are sequentially output from thehorizontal signal line 120.
[0011]
The output charge stored in thestorage capacitors 111 and 112 is obtained by continuously obtaining the output in the case of both resetting and signal charge input for onepixel amplifier 104 in time. By taking the difference between these two outputs, it is possible to easily suppress the noise caused by the input offset variation of the plurality of source followers and the 1 / f noise of the source followers.
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-described conventional example, there is a problem to be solved that reset noise generated when the photoelectric conversion means is reset cannot be removed.
[0013]
The reset noise is a fluctuation of the reset potential every time the optical sensor is reset, and appears as random noise.
[0014]
For example, in a photodiode having a pn junction, when the photogenerated carrier Q_P is accumulated in the capacitor C_{PD of the} photodiode unit and converted into a voltage, the optical signal voltage V_P by the photo generated carrier is:
V_P = Q_P / C_PD (1)
It becomes. On the other hand, the reset noise V_N is
V_N = √ (kT / C_PD ) (2)
(K: Boltzmann constant, T: temperature (k))
Therefore, the S / N ratio is
V_P / V_N =Q_P · √ (1 / (kTC_PD )) (3)
[0015]
Therefore, from the equation (3), in order to increase the S / N ratio, it is desirable to make the storage capacitance_{CPD of the} photosensor as small as possible, but there is a practical limit. On the other hand, high definition of the photoelectric conversion device, with the speed, the signal charge Q_P is to become the direction of decreasing, eliminating the reset noise, key points of the high S / N of the photoelectric conversion device It becomes.
[0016]
However, in the conventional example 1, as shown in the timing chart of FIG. 6, the sensor reset is performed twice, and the read optical signal and the noise signal are caused by different sensor resets. That is, the accumulation operation and the optical signal readout operation are performed after the second sensor reset, and the sensor noise N generated by the first sensor reset from the readout signal S + N ′ including the sensor noise N ′ generated at the second sensor reset. Since the sensor noise is to be removed by subtracting, random noise that is √2 times the sensor reset noise is generated.
[0017]
In the second prior art, since thegate switch 109 is closed when thereset switch 103 is reset, the reset of thephotodiode 101 and the reset by thereset switch 103 are different reset operations. Similarly, random noise caused by reset cannot be completely removed.
[0018]
Further, in the conventional example 2, an example in which thegate switch 109 is not provided is disclosed, but in this case as well, it is disclosed that there is a problem that random noise due to sensor reset is generated.
[0019]
In other words, although FPN can be improved in the prior art, it has never been improved against random noise caused by the reset operation of the optical sensor.
[0020]
[Object of invention]
An object of the present invention is to reduce random noise caused by a reset operation of a sensor unit in a one-dimensional or two-dimensional photoelectric conversion apparatus that performs optical signal accumulation and signal output simultaneously.
[0021]
[Means for Solving the Problems]
Each of the photoelectric conversion devices of the present invention includes a photoelectric conversion region and an amplification transistor that generates an amplification signal based on a signal obtained by the photoelectric conversion region, and the photoelectric conversion region and the amplification transistor First and second photoelectric conversion means electrically connected tothe input unit, the first photoelectric conversion region and the input unit of the first amplification transistor, and the second photoelectric conversion region and First and second reset means for resetting the input section of the second amplification transistor, respectively, and the first photoelectric conversion means by resetting the first photoelectric conversion means by the first reset means. First signal holding means for temporarily holding a first noise signal generated at the output of the transistor, and resetting the second photoelectric conversion means by the second reset means A second signal holding means for temporarily holding a second noise signal generated at the output of the second amplifying transistor; and a first signal including the first noise signal from the first photoelectric conversion means after storing the optical signal. Before reading out the optical signal to the first signal holding means, the first noise that reads and holds the first noise signal temporarily held in the first signal holding means from the first signal holding means The signal storage capacitor and the second signal holding unit before reading the second optical signal including the second noise signal from the second photoelectric conversion unit to the second signal holding unit after storing the optical signal. A second noise signal storage capacitor for reading out and holding the second noise signal temporarily held in the means from the second signal holding means, and the first photoelectric conversion means from the first photoelectric conversion means after storing the optical signal. Read the signal holding means A first optical signal storage capacitor for reading out and holding the first optical signal that has been output and held from the first signal holding means, and the second signal holding from the second photoelectric conversion means after storing the optical signal The second optical signal read out and held by the means is read out from the second signal holding means and held in the second optical signal storage capacitor and the first and second noise signal storage capacitors, respectively. The first and second optical signals are output via a common noise signal output line, and the first and second optical signals respectively held in the first and second optical signal storage capacitors are Signals output via a common optical signal output line and held in the first noise signal storage capacitor and the first optical signal storage capacitor are the noise signal output line and the optical signal. After each output to the output line, A common output unit for outputting signals held in the second noise signal storage capacitor and the second optical signal storage capacitor to the noise signal output line and the optical signal output line; Noise contained in the first optical signal and the second optical signal output from the common output unit using the first noise signal and the second noise signal output from the output unit Noise removing means for removing each component, and the first and second optical signals from the first and second photoelectric conversion means through the first and second signal holding means, respectively. After reading to the first and second optical signal storage capacitors, the first photoelectric conversion means is reset again by the first reset means, thereby generating a third signal generated at the output of the first amplification transistor. Before the noise signal A fourth noise signal generated at the output of the second amplifying transistor is held in the first signal holding unit, and the second photoelectric conversion unit is reset again by the second reset unit, and the second noise signal is generated in the second signal. The signal is held in the signal holding means .
[0023]
[Action]
According to the present invention, by providing the noise holding means, after the noise generated at the time of sensor reset is held, the accumulation operation and the readout operation of the optical signal are performed as they are, and the difference between the noise and the optical signal at the same sensor reset Therefore, it is possible to completely remove random noise generated when the sensor is reset.
[0024]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0025]
[First Embodiment]
FIG. 1 is a circuit diagram and a timing chart of the photoelectric conversion device according to the first embodiment of the present invention.
[0026]
As shown in the figure, the photoelectric conversion device of the present embodiment includes aphotodiode 1 serving as a photoelectric conversion unit, MOS transistors 3 and 3 ′, aMOS switch 2 serving as a reset unit of the photoelectric conversion unit,
MOS transistors 4, 6, 6 ′ serving as noise signal holding means for holding a noise signal when the photoelectric conversion means is reset, and a capacitor (C_M ) 5;
Noise signal removing means (7-16) for removing noise from the signal accumulated by the photoelectric conversion means after the same reset using the retained noise signal It is.
[0027]
Also, aMOS switch 7 as a noise signal reading means for reading out the noise signal charge immediately after the reset, a capacitor (C_TN ) 9,
AMOS switch 8 serving as an optical signal reading means for reading out an optical signal charge after storing the optical signal, a capacitor (C_TS ) 10,
Ashift register 13 serving as scanning means for sequentially scanning the noise signal of the noise signal reading means and the optical signal of the optical signal reading means;
In the photoelectric conversion apparatus that stores the optical signal by the photoelectric conversion unit at the same time as reading the signal from the noise signal reading unit (7, 9) and the optical signal reading unit (8, 10) by the scanning unit,
Noise signal holding means (4, 5, 6, 6 ′) for holding the noise signal immediately after the reset until the optical signal accumulated after the same reset is read out to the optical signal reading means (8, 10). When,
Buffer amplifiers 14 and 14 'serving as means for outputting a difference between the held noise signal immediately after reset and the same optical signal after reset, and a differential amplifier 15,
It is a photoelectric conversion device characterized by having.
[0028]
Here, theMOS transistors 6, 6 'and 3, 3' each form a MOS source follower.
[0029]
Further, theinputs 16 and 16 ′ of thebuffer amplifiers 14 and 14 ′ are common output lines, and the portions other than thebuffer amplifiers 14 and 14 ′ and the differential amplifier 15 have bits.
[0030]
Moreover, in this embodiment, all the parts shown in the figure are formed on the same semiconductor substrate.
[0031]
Hereinafter, the operation and configuration of the present embodiment will be described with reference to a timing chart.
[0032]
First, when the start pulse SP is input, first, the optical signal and noise signalstorage capacitors C_TS 10 and C_TN 9 are reset.
[0033]
Subsequently, the drive pulse φTN is turned ON, and the noise signal held in thecapacitor C_M 5 is read out to the capacitor C_TN 9. At this time, the noise signal read from thecapacitor C_M 5 is a noise signal immediately after the sensor is reset in the previous field. After the noise signal is read out to the capacitor C_TN 9, thedrive pulse φT 1 is turned on, the optical signal is read out to thecapacitor C_M 5, and the drive pulse φTS is further turned on to read the optical signal into thecapacitor C_TS 10.
[0034]
Thereafter, the drive pulse φR is turned on to perform sensor reset, and then the drive pulse φT1 is turned on. The signal immediately after the sensor reset is read as a noise signal to thecapacitor C_M 5, and the sensor starts accumulation.
[0035]
At the same time as the sensor accumulates, the optical signal and the noise signal held in thecapacitor C_TS 10 and the capacitor C_TN 9 are sequentially output to the common output line. The signals are differenced by a difference circuit (not shown) or the like and output as a net optical signal.
[0036]
Therefore, in the present invention, the noise signal for the sensor reset of (1) shown in the timing chart is held in thecapacitor C_M 5 during the accumulation period (A) and input to the capacitor C_TN 9 before reading the optical signal. (A '). Accordingly, since the difference between the noise signal (A ′) and the optical signal (B ′) for the same sensor reset of (1) can be output as a net optical signal, the sensor reset noise can be completely removed. It becomes possible.
[0037]
Further, the noise removing means is not limited to the above-described embodiment, and for example, a clamp circuit or the like can be used.
[0038]
Further, as disclosed in Japanese Patent Application No. 61-219666, as the difference circuit, a circuit that holds a sensor signal, a circuit that holds a reference signal, and a differential amplifier that outputs the difference signal may be used. it can.
[Second Embodiment]
FIG. 2 is a circuit diagram and a timing chart showing the second embodiment of the present invention.
[0039]
This embodiment is different from the first embodiment in that a photoelectric conversion means using abipolar transistor 1 ′ is used. Also in this embodiment, the portion surrounded by the dotted line is the noise signal holding means, and its configuration is the same as that of the first embodiment.
[0040]
The operation will be described below along the timing chart.
[0041]
When a start pulse (not shown) is input, first, the drive pulse φCR is turned ON, and the optical signalstorage capacitor C_TS 10 and the noise signal storage capacitor C_TN 9 are reset.
[0042]
Next, the drive pulse φTN is turned ON to read the noise signal to the capacitor C_TN 9.
[0043]
Next, the drive pulse φT1 is turned on to read the optical signal into thecapacitor C_M 5.
[0044]
Next, the drive pulse φTS is turned on to read the optical signal to thecapacitor C_TS 10.
[0045]
Then ON the drive pulse FaiBRS, clamp reset the base of the bipolar transistor 1 'to V_BB, further, by turning ON the driving pulse FaiERS, perform sensor reset.
[0046]
Next, the drive pulse φT1 is turned ON, and a noise signal generated at the time of sensor reset is input to thecapacitor C_M 5. Thereafter, the accumulation operation of the sensor is performed.
[0047]
At the same time as the sensor accumulates, the optical signal and the noise signal held in thecapacitor C_TS 10 and the capacitor C_TN 9 are sequentially output to the common output line. The signals are differenced by the difference circuit 15 and output as a net optical signal.
[0048]
Therefore, also in the present invention, the noise signal for the sensor reset is held in thecapacitor C_M 5 during the accumulation period, and is input to the capacitor C_TN 9 before reading the optical signal. Therefore, since the difference between the noise signal for the same sensor reset and the optical signal can be output as a net optical signal, the sensor reset noise can be completely removed.
[0049]
Note that the noise holdingcapacitor C_M 5 may be omitted, and in that case, a parasitic capacitance of a wiring or an element can be used instead of thecapacitor C_M 5.
[0050]
In the present embodiment, components other than the differential amplifier 15 are formed on the same semiconductor substrate.
[Third Embodiment]
FIG. 3 is a circuit diagram and a timing chart of the photoelectric conversion device according to the third embodiment of the present invention.
[0051]
In the figure,reference numeral 1 denotes a photodiode, and a portion surrounded by a dotted line is a noise signal holding means which is a feature of the present invention, and includes acapacitor C_M 5 for holding a noise signal, MOS transistor switches 4, 16, 17 andsource follower circuits 6 and 6 'of MOS transistors. In addition, the optical signalstorage capacitor C_TS 10 and the noise signal storage capacitor C_TN 9 are provided.
[0052]
Hereinafter, the operation and configuration of the present embodiment will be described with reference to a timing chart.
[0053]
First, when a start pulse SP (not shown) is input, first, the drive pulse φCR is turned on to reset the optical signalstorage capacitor C_TS 10 and the noise signal storage capacitor C_TN 9.
[0054]
Subsequently, the drive pulse φT2 is turned ON, the drive pulse φTN is turned ON during this ON period, and a noise signal is input to the capacitor C_TN 9.
[0055]
Next, the drive pulse φR2 is turned on to reset thesource followers 6 and 6 ′.
[0056]
Next, the drive pulse φT1 is turned ON, and an optical signal is input to thecapacitor C_M 5.
[0057]
Then, turning ON the driving pulse .phi.T2, turning ON the driving pulse φTS during this ON period, and inputs the optical signal to thecapacitor C_TS 10.
[0058]
Thereafter, the drive pulse φR1 and the drive pulse φR2 are turned on to perform sensor reset and source follower reset, and then the drive pulse φT1 is turned on to read the signal immediately after the sensor reset as a noise signal to thecapacitor C_M 5. The accumulation operation is started.
[0059]
At the same time as the sensor accumulates, the optical signal and the noise signal held in thecapacitor C_TS 10 and the capacitor C_TN 9 are sequentially output to the common output line. The signals are differentiated by a difference circuit (not shown) and output as a net optical signal.
[0060]
Therefore, also in the present invention, the noise signal for the sensor reset is held in thecapacitor C_M 5 during the accumulation period, and is input to the capacitor C_TN 9 before reading the optical signal. Therefore, since the difference between the noise signal for the same sensor reset and the optical signal can be output as a net optical signal, the sensor reset noise can be completely removed.
[Fourth Embodiment]
FIG. 4 is a circuit diagram showing a fourth embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a timing chart thereof. In this embodiment, a plurality of the photoelectric conversion elements of the present invention described above are arranged in a two-dimensional manner, and the horizontal shift register H.264 is arranged. S. R. And vertical shift register V. S. R. 1 shows an image reading apparatus to which is connected.
[0061]
As shown in the figure, each pixel has a photodiode as a photoelectric conversion means, a MOS transistor switch 43 and aMOS transistor 44 as a source follower as a noise signal holding means, and the gate capacitance of theMOS transistor 44 is described above. Used as a noise retention capacitor.
[0062]
In addition, one optical signal storage capacitor_CTS and one noise signal storage capacitor_CTN are connected to a plurality of pixels.
[0063]
Hereinafter, the operation and configuration of the present embodiment will be described with reference to a timing chart.
[0064]
First, when a start pulse SP (not shown) is input, first, the optical signal and noise signal storage capacitor_CTS and capacitor_CTN are reset.
[0065]
Then, turning ON the driving pulse .phi.Tn, read a noise signal from the gate capacitance of theMOS transistor 44 to the capacitor C_TN, reads the optical signal to the capacitance C_TS and ON the further driving pulse FaiTS.
[0066]
Thereafter, the drive pulse φR is turned on to perform sensor reset, and then the drive pulse φT1 is turned on, and the signal immediately after the sensor reset is read to the gate capacitance of theMOS transistor 44 through the source follower of the MOS transistor 42. , Start accumulating.
[0067]
Simultaneously with the accumulation of the sensor, the optical signal and the noise signal held in the capacitor C_TS , the capacitor C_TN are sequentially output to the common output line, and finally the optical signal and the noise signal are output. The difference is made by a difference circuit (not shown) and outputted as a net optical signal.
[0068]
Accordingly, in the present invention, the noise signal for the sensor reset, during the accumulation period is held in the gate capacitor of theMOS transistor 44 is input before reading out the optical signal to the capacitor C_TN. Therefore, since the difference between the noise signal for the same sensor reset and the optical signal can be output as a net optical signal, the sensor reset noise can be completely removed.
[0069]
Further, in the area sensor or the like as in the present embodiment, a photoconductive film such as amorphous silicon may be laminated on the semiconductor substrate as thephotodiode 40 in order to improve the aperture ratio.
[0070]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, since the noise holding means is provided, after the noise generated at the first sensor reset is held, the optical signal accumulation operation and the readout operation are performed as they are. Since the difference between the noise and the optical signal in the second reset can be taken, the sensor reset noise can be completely removed.
[0071]
That is, in the present invention, the noise signal for the sensor reset, during the accumulation period is held in the noise signal holding means, it is inputted before reading out the optical signal to the capacitor C_TN. Therefore, since the difference between the noise signal for the sensor reset and the optical signal can be output as a net optical signal, the sensor reset noise can be completely removed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram of a first embodiment of the present invention and a timing chart showing its operation.
FIG. 2 is a circuit diagram of a second embodiment of the present invention and a timing chart showing its operation.
FIG. 3 is a circuit diagram of a third embodiment of the present invention and a timing chart showing its operation.
FIG. 4 is a circuit diagram of a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a timing chart showing the operation of the circuit of the fourth embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a circuit diagram of Conventional Example 1 and a timing chart showing its operation.
FIG. 7 is a circuit diagram of a second conventional example.
FIG. 8 is a circuit diagram of Conventional Example 2.
[Explanation of symbols]
1 Light sensor (photodiode)
1 'Optical sensor (bipolar transistor)
2, 3, 3 ', 4, 6, 6', 7, 8, 11, 12MOS transistor 5 Noise signal holding capacitor C_M
9 Noise signal storage capacity C_TN
10 Optical signal storage capacity C_TS
13shift register 14, 14 'buffer amplifier 15differential amplifier 16, 16'common output line 40photodiode 42, 43, 44, 45, 46MOS transistor 101photodiode 103reset switch 104pixel amplifier 105vertical gate line 106reset line 107drain Lines 109 and 110 Gate switches 111 and 112Storage capacitors 113 and 114Horizontal gate switch 116Gate line 117Gate line 120Horizontal signal line 122 Horizontal register

Claims

Translated fromJapanese

前記第１、第２の信号保持手段は、保持された信号を読み出すソースフォロワ回路を備えることを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。The photoelectric conversion apparatus according to claim1, wherein the first and second signal holding units include asource follower circuit that reads out the held signal .

前記光電変換領域は、ホトダイオードであって、前記増幅用トランジスタはＭＯＳトランジスタであり、ホトダイオードの一方の端子と、ＭＯＳトランジスタのゲートとが電気的に接続されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光電変換装置。 The photoelectric conversion region is a photodiode, the amplification transistor is a MOS transistor, and one terminal of the photodiode and a gate of the MOS transistor are electrically connected to each other. 2. The photoelectric conversion device according to 2.

前記光電変換領域は、前記増幅用トランジスタの一部分であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光電変換装置。The photoelectric conversion region, the photoelectric conversion device accordingto claim1 or 2, characterized in that a portion of the amplifying transistor.

前記第１、第２の光電変換手段、前記第１、第２の信号保持手段が同一半導体基板上に形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光電変換装置。5. The photoelectric device according to claim 1, wherein the first and second photoelectric conversion units and the first and second signal holding units are formed on the same semiconductor substrate. 6. Conversion device.